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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Schaffen
einer steuerbaren Impedanz auf einer Referenzebene in einer Schaltung,
z. B. um eine Last mit einer gewünschten
beliebigen Impedanz auf Funk- oder Mikrowellen-Frequenzen zu bilden,
oder um einen Signalgenerator mit einer gewünschten Ausgangsimpedanz zu
schaffen.
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Hintergrund
der Technik
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Kontinuierliche
Entwicklungen bei Funk- und Mikrowellen-Frequenz-Komponenten (z. B. Leistungstransistoren
und monolithischen integrierten Mikrowellen-Schaltungen – MMICs
(MMIC = monolithic microwave integrated circuits) haben zu dem Wunsch
nach einer Ausführung
von on-wafer Last-Zug-Messungen
geführt,
um die Entwicklung solcher Vorrichtungen zu beschleunigen. Eine Last-Zug-Technik
umfasst die Bereitstellung einer beliebigen (gesteuerten) Impedanz
an einer vorbestimmten Position (der Referenzebene) in einer Schaltung,
z. B. der Position, wo ein Testobjekt (DUT; DUT = device under test)
angeschlossen ist.
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Ein
entsprechender Bedarf besteht für
die Bereitstellung eines Signalgenerators mit einer beliebigen gesteuerten
Ausgangsimpedanz auf einer Referenzebene (bekannt als Quellen-Zug).
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Bestehende
Techniken zum Implementieren von Last-Zug-Messungen werden beschrieben z. B. in
dem
US6297649 oder in
dem
US20020130667 und
zusammengefasst und überprüft z. B.
in „Comparison
of active versus passive on-wafer load-pull characterization of
microwave-and mm-wave power devices" von J.-E. Müller und B. Gyselinckx, IEEE MTT-S
Digest, 1994, Seiten 1077–1080
(WE3F-40). Diese Techniken können
klassifiziert werden entweder als:
- – Passive
Lasten, wie z. B. mechanische Schraubschieber- oder Festkörper-Abstimmeinrichtungen.
Diese haben viele Vorteile, einschließlich einem niedrigen Oszillationsrisiko,
einer hohen Leistungshandhabungsfähigkeit und einer einfachen
und präzisen
Steuerbarkeit. Sie weisen jedoch auch einen bedeutend eingeschränkten maximalen
Lastreflexionseffizienten an der Sondenspitze auf, die mit dem DUT
verbunden ist, aufgrund von Leistungsverlusten bei den Kabeln und
Verbindern. Dies schränkt
den Bereich von Impedanzen ein, die erzeugt werden können, und ist
eine ernsthafte Einschränkung
für eine
waferintegrierte Charakterisierung von Leistungstransistoren.
- – Aktive
Lasten, die einen Verstärker
und entweder einen Leistungs-Teiler, um zwei Signalwege zu schaffen,
um beide Tore eines DUT zu treiben, oder eine Rückkopplungsanordnung, die einen einzelnen
Richtkoppler oder Zirkulator umfasst, einlagern. Der Lösungsansatz
mit zwei Signalwegen hat ein niedriges Oszillationsrisiko, aber
ein Leistungs-Wobbeln in der nicht-linearen Betriebsweise des DUT
erfordert eine komplizierte Sequenz von Einstellungen von einstellbaren
Komponenten auf jeder Leistungsebene, um den Reflexionskoeffizienten
konstant zu halten. Die Rückkopplungsanordnung
vermeidet dieses Problem, hat jedoch ein höheres Oszillationsrisiko, besonders
wenn ein Breitbandverstärker
in dem Rückkopplungsweg
umfasst ist, sowie andere Einschränkungen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen zum Liefern
einer steuerbaren Impedanz auf einer Referenzebene in einer Schaltung,
die folgende Merkmale aufweist:
eine unidirektionale Übertragungsleitungsschleife, die
einen ersten und einen zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss aufweist,
wobei der erste Eingangs-/Ausgangs-Anschluss mit der Referenzebene verbunden
ist;
eine Verstärkungseinrichtung,
die in der Übertragungsleitungsschleife
angeordnet ist, um Signale zu verstärken, die in einer Richtung
von dem zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss zu dem ersten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
fließen;
und
eine variable abgestimmte Schaltung, die den zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
mit einer Abschlussvorrichtung koppelt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Liefern einer
steuerbaren Impedanz auf einer Referenzebene in einer Schaltung
geschaffen, das folgende Schritte aufweist:
Verbinden der Referenzebene
mit einem ersten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
einer unidirektionalen Übertragungsleitungsschleife,
die ferner einen zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss aufweist;
Verstärken von
Signalen, die durch die Übertragungsleitungsschleife
in einer Richtung von dem zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss zu dem ersten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss fließen; und
Steuern
einer variablen abgestimmten Schaltung, die den zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss
mit einer Abschlussvorrichtung koppelt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung zum Schaffen
einer steuerbaren Impedanz auf einer Referenzebene in einer Schaltung werden
nun beispielhaft Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt; und
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2 eine
modifizierte Form dieses Ausführungsbeispiels
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt
zum Liefern einer steuerbaren Impedanz eines beliebigen Werts auf
einer Kalibrierungsreferenzebene 12. Diese Referenzebene
ist z. B. die Position der Schnittstelle zwischen Messsonden einer
Funk- oder Mikrowellen-Frequenz-Testausrüstung, die
die Vorrichtung 10 und ein DUT einlagert, wie z. B. einen
Leistungstransistor oder eine Leistungs-MMIC. Die Vorrichtung 10 ist
mit der Referenzebene 12 durch eine „passive Struktur" 14 gekoppelt,
die üblicherweise
eine Wafersonde (deren Spitzen die Referenzebene definieren), mehrere
Adapter und Verbinder und Koppler eines Reflektometer-Testsatzes
enthält.
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Die
passive Struktur 12 ist innerhalb der Vorrichtung 10 mit
einem ersten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 16 einer Übertragungsleitungsschleife 18 gekoppelt,
die zwei Zirkulatoren 20 und 22 aufweist. Jeder
Zirkulator weist drei Tore auf (nummeriert von 1 bis 3 in 1)
und arbeitet, um einen Fluss einer elektromagnetischen Energie,
eingegeben an einem Tor, hin zu dem nächsten Tor ausschließlich in
Reihenfolge zu ermöglichen,
die Tor 1 zu Tor 2, Tor 2 zu Tor 3 und Tor 3 zu Tor 1 ist. Der Eingangs-/Ausgangs- Anschluss 16 ist
mit Tor 1 des Zirkulators 20 verbunden. Tor 2 dieses
Zirkulators wird als ein Ausgangstor verwendet und ist mit Tor 3 des Zirkulators 22 verbunden,
das als ein Eingangstor verwendet wird. Diese Verbindung ermöglicht einen Fluss
von elektromagnetischer Energie durch die Übertragungsleitungsschleife 18 von
ihrem Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 16 zu
einem zweiten Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 24,
der mit Tor 1 des Zirkulators 22 verbunden ist. Auf ähnliche
Weise ist Tor 2 des Zirkulators 22 mit Tor 3 des
Zirkulators 20 verbunden, für einen Fluss von elektromagnetischer Energie
durch die Übertragungsleitungsschleife 18 in der
Rückwärtsrichtung über einen
Verstärker 26,
der zwischen den Zirkulatoren 22 und 20 positioniert
ist. Dementsprechend, wie in 1 ersichtlich
ist, ist der Fluss von Energie um die Übertragungsleitungsschleife
im Wesentlichen unidirektional (bei diesem Beispiel gegen den Uhrzeigersinn,
wie in 1 gezeigt ist).
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Der
zweite Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 24 ist mit einer Abstimmeinrichtung 28 verbunden (die
z. B. eine Schraubenschieberabstimmeinrichtung sein kann), die wiederum
durch eine Last 30 abgeschlossen ist. In dem Fall von Last-Zug-Anwendungen weist
die Last 30 eine angepasste Impedanz (z. B. 50 Ohm) auf;
in dem Fall von Quellen-Zug-Anwendungen ist die Last 30 ein
Signalgenerator.
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Die
Abstimmeinrichtung 28 erzeugt intern eine Reflexion eines
Teils der einfallenden Spannungswelle mit präzise gesteuerter Amplitude
und Phase. Der Rest der Spannungswelle (der nicht reflektiert wird)
fährt fort
zu Last 30, die diesen nicht-reflektierten Teil absorbiert.
Wäre die
Last 30 nicht vorhanden, würde eine sekundäre Reflexion
von dem Ende der Übertragungsleitung
auftreten und würde ein
Stehwellen-Muster innerhalb der Abstimmeinrichtung 28 erzeugen.
Dies würde
Kontrollierbarkeitsprobleme verursachen und würde es schwer machen, Echtkomponententeile
der Impedanz nahe an 50 Ohm zu synthetisieren.
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Die
Synthese einer gewünschten
Impedanz auf der Referenzebene 12 wird erreicht durch die
Erzeugung eines entsprechenden Wanderspannungswellen-Reflexionskoeffizienten.
Eine Wanderspannungswelle, die in die Referenzebene 12 eintritt
(z. B. von einem DUT) überquert
die passive Struktur 14 und tritt in den Zirkulator 20 ein,
der die Welle entlang des unteren Arms (ersichtlich in 1)
der Übertragungsleitungsschleife 18 leitet.
Die Wanderwelle tritt in den Zirkulator 22 ein, wo sie
zu dem Eingang der Abstimmeinrichtung 28 geleitet wird.
Diese Abstimmeinrichtung ermöglicht
die Erzeugung einer modifizierten (reflektierten) Version der Wanderspannungswelle
mit einer präzisen,
steuerbaren Phasen- und Amplituden-Beziehung zu der einfallenden
Wanderwelle.
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Diese
reflektierte Welle, die durch die Abstimmeinrichtung 28 erzeugt
wird, tritt in den Zirkulator 22 ein, der sie entlang des
oberen Arms der Übertragungsleitungsschleife 18 leitet,
durch den Verstärker 26.
Die resultierende, verstärkte
Version der reflektierten Spannungswelle an dem Ausgang des Verstärkers 26 verläuft durch
den Zirkulator 20 und überquert
die passive Struktur 14, um die Referenzebene 12 zu
erreichen. Eine Einstellung der Abstimmeinrichtung 28 ermöglicht,
dass das komplexe Verhältnis
zwischen der ursprünglichen
Wanderspannungswelle, die in die Referenzebene 12 eintritt
(von der DUT), und der reflektierten Spannungswelle, die zu der
Referenzebene 12 über
die passive Struktur 14 zurückkehrt, präzise gesteuert wird. Reflexionskoeffizienten
mit einer Amplitude von Eins (und Werten sogar noch höher als
Eins) können
ohne weiteres erhalten werden, vorausgesetzt, dass der Gewinn des Verstärkers 26 ausreichend
ist, um die Verluste zu kompensieren, die in der Schaltungsanordnung
zwischen der Referenzebene 12 und der Abstimmeinrichtung 28 auftreten.
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1 zeigt
eine grundlegende Form dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In der Praxis und wie in 2 gezeigt ist, kann es als wünschenswert
erachtet werden, ein Bandpassfilter 32 an dem Eingang zu
dem Verstärker 26 und/oder
eine Dämpfungseinrichtung 34 in
dem unteren Arm der Übertragungsleitungsschleife 18 zu
integrieren. Das Bandpassfilter 32 kann umfasst sein, um
die Stabilität
der Operation der Übertragungsleitungsschleife
zu verbessern, um Signalkomponenten an Frequenzen zu dämpfen, für die die
Schleife ansonsten instabil werden würde. Das Integrieren eines
Bandpassfilters reduziert das Risiko von Oszillationen. Das Passband des
Filters 32 ist empirisch ausgewählt, abhängig von dem Ausmaß, zu dem
eine Instabilität
auftritt, um Geschlossene-Schleife-Gewinne über Eins außerhalb des Frequenzsatzes
von Interesse zu vermeiden, für den
die gewünschte
Impedanz auf der Referenzebene 12 erzeugt wird. Die Frequenzgrenzen
des Passbandes hängen
von der bestimmten Gesamtheit von Charakteristika der Testkonfiguration
ab, einschließlich
der Eigenschaften der DUT.
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Die
Dämpfungseinrichtung 34 kann
umfasst sein, um jeglichen überschüssigen Gewinn
des Verstärkers 26 in
bestimmten Testsituationen zu kompensieren. Der Wert der Dämpfungseinrichtung 34 ist derart
ausgewählt,
dass der Gesamtgewinn der Übertragungsleitungsschleife 18 (der
Gewinn des Verstärkers 26 minus
die Dämpfung
der Dämpfungseinrichtung 34)
ausreichend ist, um die Schaltungsverluste zu kompensieren, aber
nicht übermäßig groß ist. Mit
einem Gesamtgewinn, der zu groß ist, ergibt
sich eine Potential-Instabilität
und Oszillationen, und dies kann ferner eine übermäßige Empfindlichkeit des synthetisierten
Reflexionskoeffizienten gegenüber
geringen Änderungen
bei der Einstellung der Abstimmeinrichtung 28 verursachen.
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Die
Integration des Bandpassfilters 32 und des Dämpfers 34 ermöglicht eine
Kompensation von Abweichungen bei den Betriebscharakteristika der Schaltung,
die eingebracht werden durch Änderungen
bei dem Testaufbau und suboptimale Eigenschaften der Komponenten
(z. B. übermäßiger Gewinn
des Verstärkers 26 oder
frequenzabhängige Verluste
bei Verbindungskabeln). In spezifischen Situationen kann es machbar und
kosteneffektiv sein, Komponenten und Ausrichtung auszuwählen, um
auf integrierte Weise in Wechselwirkung zu treten und die gewünschte Stabilität und Leichtigkeit
der Operation bereitzustellen, ohne den Bandpassfilter 32 oder den
Dämpfer 34 einzuschließen. Spezifische
Positionen des Filters 32 und des Dämpfers 34 in der Übertragungsleitungsschleife 18 sind
nicht kritisch, vorausgesetzt, jeder derselben ist in der Schleife.
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Andere
Modifikationen können
an den oben beschriebenen Schaltungen durchgeführt werden. Zum Beispiel können Koppler
anstelle von Zirkulatoren verwendet werden, um die Übertragungsleitungsschleife 18 zu
erzeugen, obwohl dies wahrscheinlich den erforderlichen Gewinn und
die Ausgangsleistungsfähigkeit
des Verstärkers 26 wesentlich
erhöhen
würde.